光子晶體熱防護(hù)性能研究范文
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《航天器環(huán)境工程雜志》2014年第三期
1氣動(dòng)加熱
選擇美國太空探索技術(shù)公司研制的“天龍座”飛船作為研究對象，該飛船是一艘可重復(fù)使用的飛船，有載人和載貨2種，向太空運(yùn)送有效載荷質(zhì)量最大為6000kg，返回時(shí)為3000kg，任務(wù)持續(xù)時(shí)間為7d～2a。
1.1飛船的外形尺寸飛船由前錐體、加壓艙、服務(wù)艙3部分組成。前錐體半徑為1m，長度為0.3m；加壓艙長度為2.9m，上端圓半徑為1.2m，下端圓半徑為2m；服務(wù)艙長度為2.3m，半徑為1.8m。
1.2建模與溫度分布的數(shù)值計(jì)算
1.2.1計(jì)算區(qū)域由于飛船是對稱結(jié)構(gòu)，在計(jì)算中可以選擇飛船的一半進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的氣動(dòng)區(qū)域是半徑8000mm、長度25000mm的半圓柱體，再在該半圓柱體正中建立一個(gè)半徑4800mm、長度10000mm的小半圓柱體；飛船位于小半圓柱體的正中位置。小半圓柱體內(nèi)的計(jì)算網(wǎng)格較致密，而在小半圓柱體之外區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格較稀疏。這樣處理既能夠滿足計(jì)算的精度要求，又可減小計(jì)算量，從而提高整體計(jì)算效率。
1.2.2建模FLUENT是一個(gè)菜單式的建模軟件，可在該軟件平臺方便地建立熱數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算。本文的建模步驟如下：1）選擇DensityBased（密度基）求解器，同時(shí)選擇Explicit顯示格式。2）在梯度計(jì)算方法中選擇Green-GaussNodeBased法，它基于節(jié)點(diǎn)的Green-Gauss函數(shù)求解梯度，適合于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在氣動(dòng)加熱計(jì)算中具有更高的精確度。3）流體選擇空氣，設(shè)置為理想氣體，滿足氣體狀態(tài)方程。4）黏度方面選擇薩蘭德（Sutherland）定律計(jì)算。5）在邊界條件中設(shè)置Ma=5。6）所有求解方程都采用二階迎風(fēng)格式，其精度高于一階迎風(fēng)格式。7）湍流模型選擇Spalart-Allmaras模型，并在該模型的列表下選擇Strain/Vorticity-BasedProduction子模型。該子模型是一個(gè)相對簡單的單方程模型，只求解一個(gè)輸運(yùn)方程，計(jì)算量相對比較??；它適合于有避免限制的流動(dòng)問題求解，在計(jì)算有逆壓梯度的邊界層問題時(shí)能夠給出比較好的計(jì)算結(jié)果，常在空氣動(dòng)力學(xué)問題中使用，該模型方程為1.2.3數(shù)值計(jì)算飛船速度為Ma=5時(shí)壁面的溫度場分布如圖1所示（這里只是針對壁面計(jì)算，并不是整個(gè)飛船）。通過圖1可以看出：“天龍座”飛船在劇烈的氣動(dòng)加熱環(huán)境下，其壁面最高溫度接近1800K。前錐體的溫度分布在1500K附近，加壓艙在1350K附近，服務(wù)艙在1050K左右。
1.2.4氣動(dòng)熱流的估算飛行器在劇烈的氣動(dòng)加熱環(huán)境下，所承受的熱流密度可估算為式(12)～式(13)中：h表示焓值，J；ρ表示密度，kg/m3；T為溫度，K；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m⋅K)；q′′′&為內(nèi)熱源（這里內(nèi)熱源為0）；r為位置向量；s為方向向量；s′為散射方向；s為沿程長度（行程式(9)～式(11)中：Nu為努塞爾數(shù)；Re為雷諾數(shù)；υ為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s，這里取-51.6×10；Pr為普朗特?cái)?shù)，取0.701；u為特征速度，m/s；l為特征長度，m；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m•K)，這里取0.025；∆t為溫度差，K。將各參數(shù)的取值代入式(9)～式(11)中進(jìn)行計(jì)算，得到熱流密度為56～122kW/m2。
2.1光子晶體防熱層的結(jié)構(gòu)三維光子晶體防熱層結(jié)構(gòu)的最外層為SiC層，中間層為三維光子晶體層即SiC-3DPCs層，內(nèi)層為基體，如圖2所示。其中，SiC層為輻射涂層，其功能是增強(qiáng)熱輻射；光子晶體層是熱反射層，以熱反射方式阻隔熱量向基體傳遞。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了輻射與反射防熱雙重功能，特別是在高溫的情況下。
2.2熱控性能計(jì)算針對光子晶體防熱層結(jié)構(gòu)，建立一個(gè)單維三層導(dǎo)熱-輻射耦合傳熱模型，其能量控制方程為利用該模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先設(shè)置熱流，初始溫度選取300K，采取DO算法中的輻射模型，其中所有方程采取二階迎風(fēng)格式計(jì)算。輻射模型的輻射傳輸方程為上述方程采用FLUENT軟件求解。根據(jù)之前“天龍座”飛船的氣動(dòng)加熱計(jì)算，產(chǎn)生的熱流可以達(dá)到數(shù)萬W/m2。因此，本文分別在60kW/m2，80kW/m2，100kW/m2三種熱流密度條件下，模擬了無/有光子晶體防熱層兩種情況下基體的溫度分布，計(jì)算參數(shù)如表1所示。這里需要注意，表中的發(fā)射率都是針對近中紅外波段，適合于氣動(dòng)加熱的熱防護(hù)。圖3和圖4分別為不同熱流密度條件下，無、有光子晶體防熱層時(shí)的基體溫度分布。x和y表示基體層的二維幾何坐標(biāo)，其中x為基體深度方向，單位為m。從圖3可以得到：無光子晶體防熱層時(shí)，溫度分布在100kW/m2熱流密度下，處于1360～1374K之間；在80kW/m2下，處于1284～1295K之間；在60kW/m2下，處于1190～1199K之間。從圖4可以得到：有光子晶體防熱層時(shí)，溫度分布在100kW/m2熱流密度下，處于850～856K之間；在80kW/m2下，處于841～845K之間；在60kW/m2下，處于830～833K之間。通過模擬結(jié)果的比較可以看出，采用光子晶體防熱層時(shí)，飛行器的熱控性能有提高：在100kW/m2熱流密度下，溫度下降約515K；在80kW/m2下約450K；在60kW/m2下約360K。這反映出PCs防熱層具有良好的熱控性能。
3結(jié)束語
本文利用FLUENT軟件和DO算法中的輻射模型對有/無光子晶體防熱層結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)加熱進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。通過計(jì)算結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，采用光子晶體防熱層結(jié)構(gòu)可使基體溫度下降約360～515K，證明它具有良好的熱控性能。光子晶體在再入飛行器熱防護(hù)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，但其工程化應(yīng)用還有待深入研究。
作者：張昊春邱晨暉李垚趙楊秦江于海燕單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所
